18: Refracción
Cuando las ondas pasan de un medio a otro a menudo interactúan con el medio y cambian su longitud de onda. Esto significa que su velocidad también cambia. Las ondas electromagnéticas pueden ser absorbidos brevemente por los átomos de la sustancia (dependiendo de la longitud de onda de y el tipo de átomo) de manera que el tiempo total tomado para atravesar el material es más largo que si la onda se encontrase en el espacio libre, a pesar de que habitualmente viajan a la velocidad de la luz entre los átomos.
Una onda que cambia la velocidad a su paso por la frontera entre dos materiales también cambiar de dirección si cruza la frontera en un ángulo que no sea perpendicular. Esto es porque la parte del frente de onda que llega primero a la frontera es el primero en disminuir su velocidad. La curvatura una onda debido a los cambios en la velocidad a medida que cruza una frontera se llama refracción.
La relación de la velocidad de la luz en un material respecto de la velocidad en el vacío (c = 3,0 × 109 m/s) se denomina el índice de refracción; n = c/v donde v es la velocidad de la luz en el medio. En esta simulación vamos a investigar los efectos del cambio en la velocidad de una onda medida que se mueve de un material a otro. Aunque nuestro ejemplo es para la luz, el mismo comportamiento se puede demostrar con otras ondas. Por ejemplo, gran parte de lo que sabemos sobre el interior de la tierra, el sol y otros planetas proviene de seguimiento de las ondas sísmicas cuando se refractan al pasar por capas de material que tienen diferentes densidades.
La relación entre el índice de refracción y el cambio en el ángulo de dirección del rayo a medida que avanza a través de un medio viene dado por la Ley de Snell: n1 sin θ1 = n2 sen θ2 donde n1 y θ1 son los valores medidos a un lado de la frontera y el subíndice 2 es para el material en el otro lado de la frontera.
Preguntas:
La simulación muestra un solo rayo de luz que pasa a través de un medio rodeado de aire en ambos lados. Puede mover el transportador de ángulos y usar para medir ángulos arrastrando la punta de la flecha.
18.1. Ajuste el índice de refracción a 1,40. Cambiar el ángulo de los rayos procedentes de la fuente. El ángulo de incidencia es el ángulo del rayo hace con una perpendicular a la superficie (no el ángulo entre el rayo y la superficie). Utilice el transportador para medir el ángulo de incidencia (poner el borde inferior izquierdo del transportador donde el rayo entra en el vaso y utilice el control deslizante para alinear la flecha con el rayo). Mueva el transportador para la frontera y alinee la flecha con los rayos en el interior del material para obtener el ángulo refractado (el ángulo dentro del medio).
18.2 El índice de refracción del aire es aproximadamente uno (la luz viaja tan rápido en el aire como lo hace en vacío). Utilice la ley de Snell para calcular el índice de refracción en el medio. (n1 = 1; θ1 = el ángulo de incidencia; θ2 es el ángulo refractado; y resuelva para n2 ). NOTA: Es muy difícil conseguir la flecha transportador pueda alinearse exactamente con los rayos por lo que su respuesta puede ser un poco inexacta.
18.3. Para el mismo ángulo que utilizó en las dos preguntas anteriores, mueva el transportador una vez más al borde derecho del material y medir el ángulo del rayo sale del material. ¿Cómo se compara esto con el ángulo de incidencia de la izquierda?
18.4. Elija un ángulo diferente y utilizar la ley de Snell para encontrar el índice de refracción fuera del medio a la derecha. Esta vez, el ángulo de incidencia será el interior del material en el límite derecho, y n1 será el índice dentro del material (su respuesta a la pregunta dos).
18.5. Arrastre la fuente dentro del medio y probar diferentes ángulos. ¿Qué notas?
Cuando la luz pasa de un material en el que el índice es superior a un índice inferior hay ángulos para que los rayos no pueden dejar el material. El ángulo en el que un rayo comienza a reflejarse en la frontera en lugar de atravesar se llama el ángulo de reflexión total interna. Esto se puede ver si nos miramos la superficie de una piscina desde el fondo; a un cierto ángulo sólo verá el reflejo del fondo de la piscina en lugar de objetos por encima del agua. La reflexión interna total es también por qué la luz permanece en un cable de fibra óptica en lugar de ser absorbida por la cobertura.
18.6. Encontrar el ángulo para la reflexión interna total de dos maneras. En primer experimento con el ángulo de incidencia (fuente dentro del medio) para un índice fijo de refracción de 1,40. ¿A qué ángulo incidente refleja el rayo? También puede encontrar el ángulo utilizando n1 sen θ1 = n2 sen θ2 donde n1 es el índice dentro del medio y θ2 = 90o. Coinciden con sus dos valores?
© 2015, Wolfgang Christian y Kyle Forinash.
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